Квантовый компьютер убьёт биткоин. Как я создаю безопасный блокчейн

Что вообще такое квантовый блокчейн

КYКY: СМИ пишут о появлении квантового блокчейна – в чём его суть? Если я правильно понимаю, вы создали некую сеть – защищенную базу данных на основе квантовых компьютеров?

Алексей Федоров: Блокчейн — это технология для создания распределенных баз данных, которые криптографически защищены от несанкционированной модификации. В своей работе блокчейн использует несколько криптографических технологий, в частности, электронно-цифровую подпись для проверки авторства транзакций, а также криптографических хэш-функций для формирования блоков. Для электронно-цифровой подписи в большинстве блокчейнов для защиты используются криптографические алгоритмы с открытым ключом. Криптография с открытым ключом базируется на односторонних математических функциях — операциях, которые просто выполняются в одну сторону, но сложно в обратную. Например, факторизация — разложение числа на простые множители: перемножить два простых числа просто, но узнать, из каких простых множителей состоит данное число, тяжело даже с использованием мощных классических компьютеров.

В середине девяностых Питер Шор показал, что если использовать для задачи факторизации не классические компьютеры, а квантовые, то задача решается намного быстрее. Квантовые компьютеры — это устройства, которые для проведения вычислений используют феномены квантовой механики — например, принцип суперпозиции, который позволяет квантовым объектам быть одновременно во всех возможных состояниях. На языке компьютеров это означает, что квантовые биты — кубиты — могут находиться одновременно в состоянии 0 и 1, тогда как классические биты могут быть либо 0, либо 1. Квантовые компьютеры сейчас активно развиваются, их строят такие гиганты, как Google, IBM, Microsoft и Intel, но их мощности пока недостаточно, чтобы взламывать использующиеся криптографические алгоритмы – тем не менее, гипотетически они на это способны. Из этого следует, что большинство инструментов, которые мы используем повсеместно, не только в блокчейне, а еще и при защите данных в интернете, в интернет-банке, мессенджерах, будут уязвимы, когда появится квантовый компьютер.

Идея нашего квантово-защищенного блокчейна состоит в том, чтобы сделать другую квантовую технологию — квантовые коммуникации — центральным элементом защиты технологии блокчейна. Квантовые коммуникации (или, более точно, квантовое распределение ключей) — это метод защиты данных, гарантирующий защищенность на уровне законов физики, а не на каких-либо предположениях о сложности математических задач, как в случае криптографии с открытым ключом. Тем самым квантовый блокчейн становится неуязвимым к атакам с квантовым компьютером.

Кому это пришло в голову и чем угрожает обычному блокчейну

КYКY: Как вы пришли к этому открытию?

А.Ф.: В Российском квантовом центре (РКЦ) есть проект по развитию квантовых коммуникаций под руководством Юрия Курочкина. Юрий и я раньше работали в группе «Квантовая оптика» под руководством Александра Львовского, одного из наиболее известных специалистов в этой области. Несмотря на то, что работа в группе была направлена на изучение фундаментальных аспектов квантовых технологий, мы с Юрием постоянно думали о квантовых коммуникациях. При этом Юрий — экспериментатор, а я занимаюсь теорией, так что мы обсуждали очень много разных идей.

Когда в РКЦ под руководством Юрия стартовал самостоятельный проект по квантовым коммуникациям, у нас активно начала расти команда. К ней присоединились очень талантливые теоретики, математики и программисты. После того, как мы показали работоспособность технологии квантовых коммуникаций в городских условиях, а также построили квантовую сеть, начали думать, для чего она могла бы быть использована. В голову пришел блокчейн, поскольку тогда к этой технологии рос интерес со стороны сообщества. В итоге пришла идея — нужно соединить квантовые коммуникации и блокчейн. Я рассказал об этом Юрию, Евгению Киктенко и Антону Трушечкину, которые играют ведущую роль в теоретической части проекта, а также Александру Львовскому и Руслану Юнусову (директору РКЦ). Мы рассматривали много разных вариантов и предложений. В итоге Александр и Евгений предложили ключевые идеи о протоколе работы квантового блокчейна — использовать сети квантовых коммуникаций для аутентификации. Команда экспериментаторов под руководством Юрия провели эксперимент, а также наши программисты — Николай Пожар и Максим Ануфриев — реализовали программную платформу. Так что проект во всех смыслах совместный, каждый из авторов статьи внес ценный вклад.

КYКY: Некоторые исследователи считают, что через 10 лет квантовые компьютеры будут представлять угрозу для блокчейна, так ли это?

А.Ф: Да, работа этой группы очень интересная и детальная. С учетом предположений, которые выдвинуты в статье, оценка правильная. С другой стороны, предсказывать технологический процесс достаточно тяжело: это может быть 10 лет, а может быть и раньше. Самый главный тезис, который есть как в нашей работе, так и в этой, – квантовый компьютер действительно несет угрозу ключевым элементам технологии блокчейна.

И как будут защищаться данные?

КYКY: Что такое квантовая криптография?

А.Ф.: Квантовая криптография, квантовые коммуникации или квантовое распределение ключей — разные термины, описывающие одну технологию. Её суть в том, что квантовые частицы используются для формирования криптографических ключей. При этом используется квантовая природа передаваемых сигналов: злоумышленник, обладая неограниченными вычислительными ресурсами и всеми технологиями, которые не противоречат законам физики, все равно не сможет получить доступ к информации так, чтобы остаться незамеченным. Это обеспечивается законами квантовой механики. Далее полученные квантовым образом ключи можно использовать для классического шифрования. Поэтому термин «квантовое распределение ключей» мне нравится больше, чем «квантовая криптография». Квантовые свойства нужны именно для задачи распределения ключей.

КYКY: В чём главное отличие квантового блокчейна от блокчейна?

А.Ф.: После публикации нашей статьи возникли еще 4-5 предложений о том, как квантовые технологии могут быть использованы для блокчейнов. Поэтому я бы определил квантовый блокчейн как совокупность методов использования квантовых технологий для вычислений. В случае нашего квантового блокчейна — это использование квантовых коммуникаций для защиты данных.

КYКY: Можно ли говорить о том, что эра квантовых вычислительных машин действительно наступила?

А.Ф.: Она наступает постепенно. С появлением в гонке за построение квантовых компьютеров крупных IT-гигантов дело пошло быстрее. Недавно Google анонсировали чип из 72 кубит — это существенный шаг вперед.

КYКY: Сможет ли квантовый компьютер когда-нибудь стать персональным?

А.Ф.: История учит нас тому, что прогнозы относительно технологий редко бывают точными. Возможно, да, возможно, нет. Понятие «персональный» через некоторое время может измениться, и под ним мы будем понимать не фактическое владение, а использование, например, квантовых облачных сервисов.

Почему нам всем пора учить физику

КYКY: Самые важные открытия в квантовой физике за последние 10 лет — это? Ведь для многих людей, квантовая физика и алхимия являются синонимами, что-то на стыке науки и волшебства.

А.Ф.: Этих открытий так много! Есть и фундаментальные научные достижения, например, экспериментальное обнаружения бозона Хиггса, так и интересные прикладные исследования – например, работы с графеном и другими материалами с нестандартными свойствами. Это всего лишь два поразительных примера, но их, безусловно, гораздо больше.

КYКY: Как изменятся учебники по физике через 10-15 лет?

А.Ф.: В них будет входить больше информации. Думаю, значительно расширится раздел, посвященный квантовой физике. У нас несколько лет назад под руководством Александра Львовского проходил «квантовый кружок» для школьников в Москве. Оказалось, что при определенной подаче материала, ребята начинают достаточно быстро воспринимать язык квантовой физики.

КYКY: Не хотите сделать прогноз? Представьте, мы с вами пишем письмо, которое вскроют через сто лет. Какие достижения квантовой физики будут использоваться в повседневной жизни обычными людьми?

А.Ф.: Мне кажется, что за сто лет мы пройдем гораздо дальше, чем использование достижений квантовой физики в повседневной жизни. Я учился на факультете информационных технологий, но работаю в области физики и вижу, как эти две сферы меняют друг друга последние 10-15 лет. Я думаю, что мы недалеко от новой революции, в которой к квантовым технологиями и информационным технологиям, подключатся биотехнологии. Трудно прогнозировать в какой форме, но, может быть, путем создания квантовых нейроинтерфейсов или квантовых нейроморфных компьютеров. Так что через сто лет, вполне возможно, мое написанное письмо сочтут рудиментарным способом передачи информации и улыбнутся так, как улыбаемся мы, когда читаем предположения ключевых фигур компьютерной революции 60-х годов, веривших, что миру вряд ли нужно будет больше, чем пять компьютеров.